2[1].6估算蒸汽耗量的方法

估计蒸汽耗量的方法 章节2.6 第2章 蒸汽工程和传热 蒸汽和冷凝水系统手册 2.6.1 79 估计蒸汽耗量的方法 章节2.6 第2章 蒸汽工程和传热 蒸汽和冷凝水系统手册2.6.2 公式2.1.4 式中: Q = 热量 (kJ)； m = 物质的质量 (kg)； cp = 物质的比热 (kJ /(kg·℃))； ∆T = 物质的上升温度 (℃)。 估计蒸汽耗量的方法 蒸汽系统的优化设计很大程度上取决于是否能精确估计蒸汽的用量。这样才可以计算蒸汽的管道口径 和各种附件的口径如控制阀、疏水阀等，以达到最佳的效果。确定工厂的蒸汽负荷可以有不同的方法： 计算 - 使用传热公式可以分析设备的热输出，可以估计蒸汽的耗量。虽然传热的计算不是非常精确 （同时可能有很多未知的变量），但可以使用从相类似应用得出的经验数据。使用这种方法得到的数据对 大多数应用来说的精度已经足够。 计量 - 蒸汽的耗量可以使用流量测试设备直接测量。这对于现有的设备可以得到足够精确的数据。 但对于尚处于设计阶段或没投入使用的的设备来说，这种方法意义不大。 额定热功率 - 额定热功率（或设计额定值）通常标志在工厂各个设备的铭牌上，该数据由设备制造商 提供。这些额定值通常以kW 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示的热量输出，以kg/h表示的蒸汽耗量取决于使用的蒸汽压力。 任何参数的变化都会改变预期的热量输出，这意味着额定热功率或设计额定值和连接设备的负荷（蒸 汽耗量）将不会相同。制造商标出的额定值是一种理想能力的表示，没必要和连接设备的负荷相等同。 计算 在大多数情况，蒸汽中的热量用来做两件事： 使产品温度改变，也就是说提供“加热”部分。 来维持产品的温度（由于自然的热量损失或设计的热量损失），也就是说提供“热量损失”部分。 在任何加热制程中，由于产品温度的上升，“加热”部分将减少，并且加热盘管和产品之间的温差减 小。但是，因为产品温度的上升热量损失部分将会增加，更多的热量将从容器或管道损失到环境中。任何 时候需要的总热量是两部分之和。 计算加热物质所需热量的公式（公式2.1.4）可以适用于绝大多数的传热制程。 此公式的原始形式可以用来计算整个制程需要的总热量。但是，这种形式没有考虑传热率。为了确定 传热量，将各种形式的换热应用分成两大类： 没有流动的应用 - 被加热的产品质量恒定、在一定的容器内单批加热。 流动形式的应用 - 被加热的流体连续地通过换热表面 。 没用流动的应用 在没有流动的应用中，被加热流体在一定的容器内单批加热。容器内的蒸汽盘管或环绕容器的蒸汽夹 套构成加热面。这种典型的应用实例如图2.6.1所示的热水储存式换热器或大型的储油罐 - 黏性的油在泵 送前必须加热降低黏度。有些制程是用来加热固体，典型的实例如轮胎压机、洗衣房烫机、硫化机和高压 灭菌器。在有些非流动的应用中加热时间不重要且可以忽略，但对有些应用例如水箱和硫化机，加热时间 不仅很重要而且对制程非常关键。 Q = 80 估计蒸汽耗量的方法 章节2.6 第2章 蒸汽工程和传热 蒸汽和冷凝水系统手册 2.6.3 图2.6.1 热水储存式换热器-没有流动的应用 蒸汽 高温切断保护 温度控制器 蒸汽疏水阀站 冷凝水 热水储存式 换热器 式中: Q = 平均换热功率 (kW (kJ /s))； m = 流体质量 (kg)； cp = 产品的比热 (kJ /(kg·℃))； ∆T = 流体的温度上升 (℃)； t = 加热制程的时间 (s)。 例 2.6.1 计算非流动型应用的平均换热功率 将一定质量的油在10min（600s）内从温度35℃加热到120℃。油的体积为35L，在该温度范围内比重 为0.9，比热为1.9 kJ/(kg·℃)。 确定所需的换热功率： 在标准温度和压力 (STP)下水的密度为1 000 kg/m3。 考虑两个非流动加热制程，它们需要的加热量是相同的，但加热时间不同。虽然总的换热量相同，但 换热功率不同。对于这种应用平均换热功率可以用公式2.6.1表示： 公式2.6.1 m c T t pQ = 油的密度ρo = 0.9×1000 ρo = 900 kg/m 3 因1000L = 1 m3，ρo = 900 kg/m 3 因此油的质量 = 0.9×35 = 31.5 kg Q = 31.5kg×1.9kJ/(kg·℃)×(120-35)℃ 600s Q = 8.48 kJ/s(8.48kW) 81 估计蒸汽耗量的方法 章节2.6 第2章 蒸汽工程和传热 蒸汽和冷凝水系统手册2.6.4 公式2.6.2 式中： Q = 热量 (kJ)； ms = 蒸汽质量 (kg)； hfg = 蒸汽的蒸发比焓 (kJ /kg)。 因此，蒸汽的消耗率可以由公式2.6.3确定结合换热功率，反之也然： 公式2.6.1可以应用于被加热介质是固体、液体或者气体的使用场合，但没有考虑相变产生的热量。 对于给定质量的蒸汽所提供的热量可以用公式2.6.2表示： Q = ms hfg 公式2.6.4 公式2.6.3 在这里如故假定热量传递的效率为100%，那么蒸汽提供的热量必须和被加热介质需要的热量相等。这 样可以产生一个热量平衡公式： 一次侧 = Q = 二次侧 例 2.6.2 一个油箱中装有400 kg的煤油，在20min内从10℃加热到40℃，使用4 bar g 的蒸汽。在该温度范围 内煤油的比热为2.0 kJ/(kg·℃)， 4.0 bar g下饱和蒸汽的蒸发比焓为 2108.1 kJ/kg。油箱保温良好，热量 损失可以忽略不计。 确定蒸汽流率： Q = 400 kg×2.0 kJ/(kg·℃)×(40-10)℃ 1200s Q = 20kJ/s 因此： ms = 20 kJ/s 2108.1 kJ/kg ms = 0.0095 kg/s ms = 34.2 kg/h 在有些非流动型应用中，单批制程的加热时间不关键，可以接受更长的加热时间，这样可以减少蒸汽 的瞬时耗量并减小所需设备的尺寸。 hfs g m cm T t p= Q = Q = ms hfg 式中： Q = 平均换热功率 (kW或kJ/s)； ms = 平均蒸汽消耗率 (kg/s)； hfg = 蒸汽的蒸发比焓 (kJ /kg)。 式中： ms = 平均蒸汽耗量 (kg/s)； hfg = 蒸汽蒸发比焓 (kJ /kg)； Q = 平均换热功率 (kW (kJ /s))； m = 二次侧流体质量 (kg) ； cp = 二次侧流体比热 (kJ /(kg·℃))； ∆T = 二次侧温升 (℃)； t = 加热制程时间 (s)。 82 估计蒸汽耗量的方法 章节2.6 第2章 蒸汽工程和传热 蒸汽和冷凝水系统手册 2.6.5 流动型应用 典型的应用包括管壳式换热器，如图2.6.2所示 (也称为非储存式换热器)，主要用来为加热系统或工业 制程提供热水。其它的应用如空气加热组，蒸汽在其中释放能量连续加热通过的空气。 冷水进口 = 产品流率 = 恒定 Cp = 比热 = 恒定 因此： Q∝∆T m T 因为流率是单位时间, 公式2.6.1中二次侧流率可表示为： m T 图2.6.3给出了在稳定的二次侧流量下换热器内的温度分布。换热器内的冷凝温度可以认为恒定不变的 (Ts)，被加热流体从进口温度T1上升到出口温度T2。 公式2.6.1 m c T t pQ = 对于二次侧流量稳定的工况，需要的热负荷 (Q)和产品温升 (∆T)成正比。使用公式 2.6.1： 图2.6.2 非储存式换热器 温度控制器 蒸汽 冷凝水 蒸汽疏水阀 冷凝水 热水出口 蒸汽疏水阀 管壳式换热器 图2.6.3 换热器内的典型温度分布 蒸汽 温 度 (℃ ) 产品 T2 T1 Ts 流体通过换热器 83 估计蒸汽耗量的方法 章节2.6 第2章 蒸汽工程和传热 蒸汽和冷凝水系统手册2.6.6 公式2.6.5 Q = 平均换热功率 (kW)； m = 平均二次侧流率 (kg/s)； cp = 二次侧流体的比热 (kJ / (kg·K))或(kJ/(kg·℃))； ∆T = 二次侧流体温度上升 (K或℃)。 c TpQ = m 公式2.6.6hfs g m cm T p= Q = 对于连续流动的应用其热平衡方程式可表示为： 一次侧 = Q = 二次侧 它可以表示为m，m是二次侧流体流率（kg/s），公式2.6.1可变为公式2.6.5。 式中： ms = 平均蒸汽耗率 (kg/s)； hfg = 蒸汽蒸发比焓 (kJ /kg)； Q = 平均换热功率 (kW (kJ /s))； m = 二次侧流体流率 (kg/s)； cp = 二次侧流体比热 (kJ /(kg·℃))； ∆T = 二次侧流体温度上升 (℃)。 式中： ms = 平均蒸汽耗量 (kg/s)； m = 二次侧流体流率 (kg/s)； cp = 二次侧流体比热 (kJ /(kg·℃))； ∆T = 二次侧流体温度 (℃)； hfg = 蒸汽的蒸发比焓 (kJ /kg)。 公式2.6.8 公式2.6.7 =ms c Tp hfg m 平均蒸汽耗量 对于诸如制程换热器或加热换热器等流动型应用，其平均蒸汽耗量可以用公式2.6.7表示。 相应地蒸汽的平均耗量也可以根据公式2.6.6表示为公式2.6.8。 ms = Q hfg 因为，平均传热量本身需要根据质量流率、比热和温度上升计算所得，因此使用公式2.6.7更加方 便。 例 2.6.3 使用3 bar g的干燥饱和蒸汽将恒定流率为1.5 l/s的水从10℃加热到60℃。 3 bar g 下蒸汽的蒸发比焓为2133.4 kJ/kg，水的比热为4.19 kJ/(kg·℃)。 84 式中： 估计蒸汽耗量的方法 章节2.6 第2章 蒸汽工程和传热 蒸汽和冷凝水系统手册 2.6.7 公式2.6.7 =ms c Tp hfg m ms = 1.5×4.19×(60-10) 2133.4 ms = 0.1473 kg/s ms = 530 kg/h 在启动阶段，进口温度T1可能比满负荷时的期望的进口温度要低，因此需要更多的热量。如果暖机时 间对制程很重要，选择换热器时需要考虑这部分增加的热量需求。但是，对于流动型应用的设计计算时， 启动负荷通常可以忽略，同时因为启动不会很频繁，其达到设计工况的时间不是很重要，因此 换热器换热 面的设计通常根据实际的运行负载进行。 对于流动型应用，从系统向环境的热量损失通常要远远小于非流动型换热设备，可以忽略不计。但如 果热损失很大，当计算换热表面时应该考虑平均热损失（主要是分配管网系统的热损失）。 暖机和热损失部分 对于任何加热过程，暖机热损失将随产品温度的上升而不断减少，通过换热盘管的温差也不断减少。 但整体热损失将随着产品和容器设备温度的上升而增加，通过容器或管道向环境的散热损失增加。任何时 候总的热需求为这两部分之和。 如果换热面的选型只是考虑启动的热损失，有可能没有足够的热量提供给制程以达到期望的温度。如 果考虑这两部分的热损失然后选择换热器，则可以满足应用的总热量需求。有时，例如大型的油储存罐， 有必要考虑油储存的温度要低于需要的泵送温度，这可以大大减少从储存罐表面的热损失。当需要泵送时， 需要考虑另外一种加热形式，如安装一个出口换热器，如图2.6.4所示。 换热单元设计嵌入油箱内，并只是对马上需要被泵送的油进行加热，因此，只有在油被泵送时需要热 量。由于整个油箱的温度很低，可以不需要保温。流出口换热器的大小取决于油箱内油的温度、需要被泵 送的温度和泵送流量。 无论何种应用，当需要计算换热面时，首先必须确定总的平均换热功率。据此，可以确定在满负荷和 起动时的热量需求量和蒸汽耗量，然后根据以上两种量之一选择合适的控制阀口径。 确定蒸汽流率 1L的水质量为1 kg，因此质量流率为1.5 kg/s 图2.6.4 流出口换热器 油 油出口 冷凝水 蒸汽 冷凝水 85 估计蒸汽耗量的方法 章节2.6 第2章 蒸汽工程和传热 蒸汽和冷凝水系统手册2.6.8 86 估计蒸汽耗量的方法 章节2.6 第2章 蒸汽工程和传热 蒸汽和冷凝水系统手册 2.6.9 Questions 1. A tank of water is to be heated by a steam coil from 15°C to 65°C in 30 minutes. The tank measures 0.7 m x 0.7 m x 1 m high. The water is 0.8 m deep. The specific heat capacity of the water is 4.19 kJ /kg °C. Steam is supplied to the coil at 4 bar g. From the given information what will be the nearest to the steam flowrate required? (For this question ignore heat losses from the liquid surface and tank sides) a| 78 kg /h  b| 54 kg /h  c| 91 kg /h  d| 45 kg /h  2. Referring to Question 1, what will be the effect on the required steam flowrate if the tank is heated in 1 h? a| The steam flowrate will be halved  b| The steam flowrate will be doubled  c| The steam flowrate will remain the same  d| The heat required to raise the water will be doubled  3. In Question 1 other energy requirements should be taken into account for a more accurate final steam demand. Which of the following would account for the greatest heat requirement? a| Losses from the tank sides  b| Losses in heating the tank material  c| Losses from the bottom of the tank  d| Losses from the liquid surface  4. An air heater battery has a rating of 50 kW when supplied with steam at 7 bar g. What will be its steam consumption? a| 88 kg /h  b| 96 kg /h  c| 43 kg /h  d| 72 kg /h  5. If the air heater battery in Question 4 is actually supplied with steam at 5 bar g what will be the effect on its heat output? a| The rating will be increased  b| There will be no effect  c| The rating will be reduced  d| Condensate removal will be difficult  估计蒸汽耗量的方法 章节2.6 第2章 蒸汽工程和传热 蒸汽和冷凝水系统手册2.6.10 1: a, 2: a, 3: d, 4: a, 5: c, 6: c Answers 6. Oil passing through a heater is heated from 38°C to 121°C and flows at the rate of 550 l /h. Steam is supplied to the heater at 5 bar g. The oil has a specific heat capacity of 1.9 kJ/kg °C, and a density of 850 kg /m³. What will be the steam flowrate? a| 25 kg /h  b| 40 kg /h  c| 35 kg /h  d| 97 kg /h 